Untitled SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 19, No K4 2016 Trang 36 Khả năng cải thiện độ chính xác định vị điểm khi kết hợp GPS và SBAS Đỗ Công Hữu 1 Nguyễn Ngọc Lâu 2 1 Trường Đại học Tài ngu[.]
Trang 1Kh ả năng cải thiện độ chính xác định vị điểm khi kết hợp GPS và SBAS
Đỗ Công Hữu 1
Nguyễn Ngọc Lâu 2
1 Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Tp HCM
2Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM
(Bản thảo nhận ngày 28 tháng 06 năm 2016, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 06 tháng 08 năm 2016)
TÓM TẮT
Các v ệ tinh địa tĩnh thuộc hệ thống tăng
cường SBAS không những truyền số cải chính
mà còn cung c ấp cả mã C/A và bản lịch vệ tinh
địa tĩnh trên tần số L1 Lúc này, vệ tinh địa tĩnh
SBAS gi ống như vệ tinh GPS cung cấp trị đo giả
c ự ly đến người dùng Đặc điểm của trị đo này
là nó luôn thường trực vì các vệ tinh địa tĩnh
không di chuy ển Hiện nay, số lượng vệ tinh địa
t ĩnh của hệ thống SBAS đã gia tăng đáng kể
Đây có thể là nguồn bổ sung trị đo giả cự ly
cho h ệ thống GPS Bài báo trình bày các khảo sát nh ằm đánh giá khả năng cải thiện độ chính xác trong định vị điểm khi xử lý kết hợp trị đo
c ủa các vệ tinh địa tĩnh thuộc hệ thống SBAS và
v ệ tinh GPS Việc khảo sát chỉ thực hiện trên nội dung đánh giá sự đóng góp của các vệ tinh địa
t ĩnh vào cấu hình định vị Kết quả cho thấy chỉ
s ố PDOP có thể cải thiện từ 1.2 đến 1.7 lần khi
x ử lý kết hợp
Từ khóa: GPS, SBAS, định vị kết hợp, cải thiện độ chính xác
1 GIỚI THIỆU
SBAS (Satellite Based Augmentation
System) là hệ thống định vị tăng cường dựa trên
cơ sở vệ tinh Nói cách khác, đây là hệ thống
định vị GPS vi phân diện rộng được phát triển
và đưa vào sử dụng từ khoảng năm 2003 Hệ
thống SBAS bao gồm mạng lưới các trạm tham
chiếu và hệ thống phát tín hiệu cải chính trên
diện rộng thông qua các vệ tinh viễn thông địa
tĩnh Các vệ tinh địa tĩnh trong hệ thống SBAS
không chỉ phát các tín hiệu cải chính mà còn
cung cấp trị đo giả cự ly tương tự như các vệ
tinh GPS Nếu chúng ta khảo sát đánh giá được
độ tin cậy của các trị đo này Đây sẽ là tiền đề
tạo nên cơ sở lý thuyết cho việc định vị kết hợp
giữa các trị đo của vệ tinh GPS và trị đo vệ tinh địa tĩnh của SBAS Điều này sẽ góp phần quan trọng trong việc cải thiện độ chính xác định vị khi số lượng trị đo được bổ sung đáng kể Trong bài báo này, chúng tôi tập trung vào
việc chứng minh khả năng cải thiện độ chính xác khi kết hợp GPS và SBAS dựa vào chỉ số DOP và giả sử chất lượng trị đo SBAS và GPS
là như nhau Việc khảo sát độ chính xác của trị
đo SBAS sẽ được trình bày trong một bài báo khác
2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tín hi ệu L1 của vệ tinh SBAS
Trang 2Các vệ tinh địa tĩnh của SBAS không
những phát tín hiệu cải chính mà còn phát cả
lịch vệ tinh địa tĩnh và C/A-code trên tần số
L1(của GPS) Vì tần số phát giống như tần số
của vệ tinh GPS cho nên máy thu GPS của
người sử dụng có thể thu và giải mã, cung cấp
trị đo giả cự ly từ vệ tinh SBAS đến máy thu
[1], [3] Lúc này vệ tinh địa tĩnh trở thành một
vệ tinh định vị tương tự như vệ tinh GPS cung
cấp bổ sung một nguồn trị đo khoảng cách giả
từ máy thu đến vệ tinh địa tĩnh Các vệ tinh địa
tĩnh không di chuyển như các vệ tinh GPS nên
trị đo này luôn thường trực trong khu vực đo
Với đồ hình phân bố của hệ thống SBAS
hiện nay, số lượng vệ tinh địa tĩnh hoạt động
trên quỹ đạo xích đạo đã lên tới khoảng 13 vệ
tinh (số lượng này sẽ tăng khi các hệ thống khác
được hoàn thiện) và được phân bố bao phủ toàn
cầu (Hình 1) Tại một điểm bất kỳ sẽ thu nhận
được ít nhất từ 2-3 trị đo của vệ tinh địa tĩnh
Điều này làm gia tăng đáng kể số lượng trị đo thu được tại trạm thu
2.2 Trị đo vệ tinh SBAS
Giống như vệ tinh GPS, mỗi vệ tinh địa
tĩnh của hệ thống SBAS được gán một mã giả ngẫu nhiên theo thứ tự (Pseudo Random Noise – PRN) Vì thế, số hiệu vệ tinh cũng được ký hiệu kèm PRN (ví dụ: PRN127, PRN139…)
Việc thu và giải mã các tín hiệu đều dùng các kỹ thuật tương tự như đối với tín hiệu GPS Đối với các máy thu GNSS có khả năng thu tín hiệu SBAS thì file trị đo có được từ quá trình thu bao gồm file trị đo (observation) chứa cả trị
đo của các vệ tinh GPS và SBAS (Hình 2), file bản lịch vệ tinh GPS (navigation) chứa các thông số quỹ đạo vệ tinh GPS, file bản lịch vệ tinh SBAS (SBAS Navigation) chứa thông số về tọa độ các vệ tinh địa tĩnh SBAS (Hình 3)
Hình 1 Đồ hình phân bố các vệ tinh địa tĩnh SBAS
2015 08 04 00 01 30.0000000 0 32 G01 22973424.062 7 120726159.06707 2601.349 7
S27 39894329.029 5 209646105.30705 -5.168 5
G03 23670440.304 5 124389000.67605 2341.878 5 G31 24935174.980 6 131035235.34306 2456.501 6
S37 37533496.127 7 197239856.52107 3.049 7
…
Trang 3…
S37 2015 08 04 00 01 04 6.891787052155E-08-1.818989403546E-12 1.728400000000E+05 -3.451267336000E+04-5.418750000000E-04-1.000000000000E-07 3.100000000000E+01 2.419934632000E+04-1.921875000000E-03-5.000000000000E-08 1.600000000000E+01 -1.114800000000E+00-1.024000000000E-03 0.000000000000E+00 1.500000000000E+02
…
Hình 3 Cấu trúc Navigation_SBAS_Rinex_v3.01chứa tham số tọa độ vệ tinh SBAS
2.3 T ọa độ vệ tinh
Tọa độ vệ tinh GPS được tính từ tập tham
số quỹ đạo vệ tinh cho trong bản lịch phát tín
Các công thức, các thuật toán tính toán và các
vấn đề về sai số được tham khảo đầy đủ theo tài
liệu [4], [5]
Khác với hệ thống định vị GPS, lịch vệ tinh
địa tĩnh của hệ thống SBAS lại cung cấp các
vector trạng thái gồm tọa độ, vận tốc và gia tốc
vệ tinh tại thời điểm lịch (giống GLONASS)
Trên cơ sở đó cần phải tính tọa độ vệ tinh tại
thời điểm quan sát (t) [6]
Để tính tọa độ vệ tinh tại thời điểm quan sát
(t), người ta sử dụng phương pháp Runge –
Kutta Bài báo sử dụng công thức Runge – Kutta
bậc 4 để đảm bảo độ chính xác xác định tọa độ
vệ tinh SBAS
Công thức Runge – Kutta bậc 4 có dạng:
(1) Trong đó ký hiệu đạo hàm bậc nhất:
Và
(4) (5) (6)
Các thời điểm tham khảo cho trong bản lịch
vệ tinh địa tĩnh thường cách nhau 5 phút Việc lựa chọn bước tích phân h theo công thức (1) cần phải được xem xét cho phù hợp để đảm bảo
độ chính xác các tọa độ của vệ tinh địa tĩnh theo thời gian tham khảo (t) tương tự như đã thực hiện trong tài liệu [7]
2.4 Thuật toán định vị
Thuật toán định vị tuyệt đối được thực hiện dựa trên các phương trình giả cự ly đã được nêu trong các tài liệu cơ bản về định vị vệ tinh GPS [4] Hệ phương trình xác định tọa độ máy thu là một hệ phương trình phi tuyến được giải bằng phương pháp gần đúng Do vậy, độ chính xác của tọa độ máy thu phụ thuộc vào sự phân bố hình học của các vệ tinh nên cần đánh giá chất lượng hình học của lời giải bài toán định vị thông qua chỉ số DOP
2.5 Chỉ số DOP
DOP (Dilution Of Precision) - độ suy giảm
độ chính xác hay độ phân tản độ chính xác là thuật ngữ được sử dụng trong kỹ thuật định vị GPS nhằm xác định ảnh hưởng của cấu hình hình học vệ tinh đến độ chính xác định vị trị đo Giá trị DOP là chỉ số không đơn vị (bài báo chỉ khảo sát đến chỉ số PDOP)
Công thức tính PDOP theo tài liệu [2] :
(7) Với Q là ma trận nghịch đảo của ma trận hệ
số phương trình chuẩn:
Trang 4(8)
(9)
Trong định vị, thường sử dụng chỉ số
PDOP và GDOP để đánh giá Khi vệ tinh nhiều
và phân bố đều trên bầu trời theo phương vị và
góc cao thì PDOP sẽ nhỏ, chất lượng hình học
của lời giải càng tốt
Do các yếu tố chính ảnh hưởng đến chỉ số
DOP là số lượng vệ tinh và vị trí của các vệ tinh
trên bầu trời nên việc khảo sát đánh giá sự đóng
góp của các vệ tinh SBAS vào cấu hình định vị
là cần thiết
2.6 Quy trình x ử lý dữ liệu khảo sát
Việc khảo sát, đánh giá chất lượng của các
trị đo SBAS chỉ đạt hiệu quả tối ưu khi đã
nghiên cứu tính toán và hiệu chỉnh đầy đủ các
nguồn sai số ảnh hưởng đến trị đo Riêng trong
bài báo này, phạm vi khảo sát chỉ thực hiện
trong nội dung tính toán các giá trị DOP để đánh
giá mực độ tác động của cấu hình các vệ tinh
SBAS đến lời giải bài toán định vị
* Quy trình x ử lý dữ liệu được thực hiện
theo các bước sau:
1 Thu thập dữ liệu đo từ các tram thu IGS
có trang bị antenna thu được các tín hiệu của
SBAS Trong phạm vi bài báo chỉ sử dụng trị đo
giả cự ly C1
2 Thực hiện bài toán định vị điểm đơn và
tính toán các chỉ số DOP theo từng bộ dữ liệu:
GPS, GPS+SBAS
3 So sánh các kết quả để kết luận đánh giá
3 D Ữ LIỆU VÀ KẾT QUẢ KHẢO SÁT
3.1 Nguồn dữ liệu
Để có kết quả khảo sát tốt cần phải có bộ
dữ liệu thu ổn định và liên tục Vì vậy trong kết
quả khảo sát, bài báo sử dụng nguồn dữ liệu thu
từ các trạm IGS có trang bị antenna có khả năng thu đầy đủ các dữ liệu đo của các vệ tinh SBAS
Dữ liệu phục vụ khảo sát được lấy từ trạm IGS NNOR đặt tại thị trấn New Norcia – Australia Trạm thu sử dụng anten ASHTECH Z-XII3 có khả năng thu được tín hiệu vệ tinh SBAS [8], [9]
Vị trị địa lý của trạm NNOR được chọn vì
nó tương đồng với Việt Nam, đều là khu vực nằm trong vùng phủ của các vệ tinh PRN127, PRN128, PRN129, PRN137 thuộc hệ thống MSAS của Nhật và GAGAN của Ấn độ Nếu thu được đầy đủ thì số lượng trị đo từ các vệ tinh địa tĩnh sẽ là 4
3.2 Phương pháp khảo sát
Việc tính toán khảo sát trong bài báo được
thực hiện theo nội dung: Khảo sát độ lệch giữa kết quả PDOP từ trị đo hỗn hợp GPS+SBAS và kết quả tính PDOP từ trị đo GPS đơn thuần ở
từng thời điểm khảo sát nhất định theo số lượng
vệ tinh khác nhau và khảo sát độ lệch chỉ số PDOP liên tục 24 giờ Dữ liệu khảo sát theo 2 trường hợp sau:
- Trường hợp 1: Khảo sát chỉ số PDOP
theo số lượng vệ tinh
Số lượng 8 vệ tinh GPS+3 vệ tinh SBAS
Số lượng 4 vệ tinh GPS+3 vệ tinh SBAS
- Trường hợp 2: So sánh chỉ số PDOP đối
với 2 bộ dữ liệu trong suốt 24 giờ liên tục
* Các v ấn đề trong quá trình xử lý:
Tọa độ các vệ tinh GPS được tính từ các tham số quỹ đạo cho trong bản lịch phát tín (chưa hiệu chỉnh các đầy đủ các sai số) Tọa độ
vệ tinh SBAS được tính dựa vào công thức Range – Kutta bậc 4 đề nội suy từ 2 thời điểm tham khảo gần nhất cho trong bản lịch vệ tinh địa tĩnh Thời gian đã được chuẩn hóa theo giờ GPS cung cấp trong file trị đo (Thời gian dùng
Trang 5khảo sát là từ 0 h đến 24 h, chỉ số PDOP được
tính theo giản cách 15 phút) Trong thuật toán
tính toán, để khảo sát riêng lẻ về sự ảnh hưởng
của cấu hình các vệ tinh SBAS đến cấu hình
chung, bài báo xem tr ọng số của trị đo SBAS và
GPS là như nhau Trong thực tế, độ chính xác
của trị đo của SBAS có thể khác với trị đo GPS
3.3 Kết quả khảo sát
Kết quả từ Bảng 1 cho thấy, sự đóng góp
của cấu hình vệ tinh SBAS làm giảm đáng kể
chỉ số PDOP - giảm 20 % trong trường hợp số
lượng vệ tinh GPS nhiều (8) và giảm đến 40 %
trong trường hợp số lượng vệ tinh GPS ít (4)
Kết quả khảo sát từ biều đồ so sánh liên
tục 24 giờ (Hình 5) cho thấy, cấu hình vệ tinh
SBAS không những làm giảm chỉ số PDOP
trung bình khoảng 30% so với dữ liệu GPS đơn
thuần mà còn cho thấy sự ổn định của chỉ số
DOP luôn duy trì ở mức thấp Điều này có thể lý
giải được vì vị trí của các vệ tinh SBAS thay đổi không đáng kể Tuy kết quả còn phụ thuộc vào
vị trí của trạm thu đối với các vệ tinh SBAS nhưng nhìn chung cấu hình vệ tinh SBAS bổ sung đáng kể cho bài toán định vị
Việc tính toán khảo sát chỉ thực hiện trên các phép tính đơn giản với nguồn dữ liệu tối thiểu, chỉ tính toán khảo sát mức độ ảnh hưởng của cấu hình các vệ tinh SBAS đến bài toán định thông qua các chỉ số DOP Vấn đề ảnh hưởng của các trị đo, cần có sự nghiên cứu tính toán và hiệu chỉnh các sai số mới đánh giá đầy
đủ được khả năng kết hợp định vị với trị đo GPS
B ảng 1. Kết quả khảo sát các chỉ số DOP theo số lượng vệ tinh
Kết quả 1 GPS (8) GPS (8) + SBAS (3) Mức độ cải thiện
Kết quả 2 GPS (4) GPS (4) + SBAS (3)
Hình 5 Đồ thị so sánh chỉ số PDOP cho trường hợp 1 trong 24 giờ
Trang 64 K ẾT LUẬN
Từ các kết quả khảo sát nhận thấy rằng, sự
tham gia của cấu hình vệ tinh địa tĩnh SBAS đã
góp phần cải thiện đáng kể chỉ số DOP Đây là
vấn đề quan trọng trong việc cải thiện độ chính
xác định vị Riêng về việc đánh giá chất lượng
trị đo, cần quan tâm đến các vấn đề về sai số
đồng hồ vệ tinh địa tĩnh và sai số do tầng điện
ly và đối lưu Đây là vấn đề khá quan trọng vì
độ cao các vệ tinh địa tĩnh cao hơn rất nhiều so
với các vệ tinh GPS nên các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường truyền sóng là rất lớn Ngoài ra, bản lịch vệ tinh địa tĩnh được cho dưới dạng các vector trạng thái tọa độ vệ tinh.nên việc nội suy
cần sử dụng các phương pháp tính toán tin cậy Nếu kết quả đánh giá chất lượng trị đo từ vệ tinh SBAS là khả quan, kết hợp với sự ổn định của
cấu hình SBAS thì độ chính xác định vị sẽ được cải thiện đáng kể
The capability of accuracy improvement in point positioning using the combination of GPS and SBAS satellites
Do Cong Huu 1
Nguyen Ngoc Lau 2
1 Ho Chi Minh city University Of Natural Resources And Environment, Vietnam
2 Ho Chi Minh city University of Technology, VNU-HCM, Vietnam
ABSTRACT
The geostationary satellite of SBAS
transmits not only corrections but also provides
the code C/A on the L1 frequency On which
SBAS geostationary satellites like GPS satellites
provide pseudo-ranges measurement C1 The
features of this measurement is that it is always
permanent because geostationary satellites do
not move This will be an additional source of
pseudo-range measurement for the GPS system
With the current constellation of all SBAS
systems, the number of operational
geostationary satellites in orbit around the equator has risen to 12 (the number will increase in the future) and be distributed to give global coverage The objective of this study is to present several surveys to evaluate accuracy improvement capability in point positioning when processing mixed measurements from the geostationary satellites in the SBAS and GPS The results show that PDOP can be improved from 1.2 to 1.7 times when mixed processing
Keywords: GPS, SBAS, combination, accuracy Improvement
Trang 7TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Lambert Wanninger, The Future is Now
World, July 2008, pp 42-48
[2] Richard B.Langley, Dilution of
Precision,GPS World, May 1999, pp
52-59
[3] Van Dierendonck, A J., Hegarty, Chris,
Niles, Rick, Morrissey, Tom, Reddan, Pat,
Next Generation Satellite Based
Augmentation System (SBAS) Signal
Specification, Proceedings of the 2005
National Technical Meeting of The
Institute of Navigation, San Diego, CA,
January 2005, pp 371-384
[4]. Nguyễn Ngọc Lâu, Bài giảng công nghệ
GPS (cao h ọc trắc địa), Bộ môn Địa Tin
Học Trường Đại học Bách Khoa TP.Hồ
Chí Minh
[5]. Nguyễn Ngọc Lâu, “Cải thiện phương
pháp tính t ọa độ vệ tinh GPS từ bản lịch
phát tín”, Tuyển tập Hội nghị Khoa học và Công nghệ lần thứ 8 – Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, 2002, pp
37-44
[6]. Hà Minh Hòa, “Nghiên cứu phương pháp
x ử lý đồng thời các dữ liệu đo GPS/GLONASS để đồng bộ dị thường độ cao v ệ tinh – thủy chuẩn và dị thường độ cao tr ọng lực trong bài toán xác đinh mặt Geoid”, Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học – Hà Nội 10-2008
[7] Nguyễn Ngọc Lâu và Dương Minh Âu,
“Kh ảo sát bước và bậc của phương pháp Runge-Kutta trong vi ệc tính toán tọa độ vệ tinh GLONASS”, Tuyển tập Hội nghị Khoa học và Công nghệ lần thứ 12 – Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, 2011,
pp 329
[8] Website http://igscb.jpl.nasa.gov/
[9] Website ftp://igs.bkg.bund.de